《管殼式換熱器》PPT課件.ppt

第7章 管殼式換熱器,第一節(jié) 管殼式換熱器的總體結(jié)構(gòu) 第二節(jié) 管殼式換熱器的主要零部件 第三節(jié) 管殼式換熱器的選用及設(shè)計(jì)流程 第四節(jié) 其它形式換熱器簡(jiǎn)介,（1）換熱器是許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的通用工藝設(shè)備。通常，在化工廠的建設(shè)中，換熱器約占總投資的11 40 。它的先進(jìn)性、合理性和運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量、數(shù)量和成本。 （2）根據(jù)不同的目的，換熱器可以是熱交換器、加熱器、冷卻器、蒸發(fā)器、冷凝器等。,第一節(jié) 管殼式換熱器的總體結(jié)構(gòu),一、概述,（3）衡量一臺(tái)換熱器好壞的標(biāo)準(zhǔn)。,c.可靠性,滿足操作條件 ,強(qiáng)度足夠,保證使用壽命,b.合理性,a.先進(jìn)性,可制造加工，成本可接受,傳熱效率高，流體阻力小，材料省,化工生產(chǎn)對(duì)換熱設(shè)備提出的要求是： 傳熱效率高，流體阻力?。?強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性足夠； 結(jié)構(gòu)合理，節(jié)省材料，成本較低； 制造、裝拆、檢修方便等。,（4）任何一種換熱器不可能十全十美。 板式換熱器傳熱效率高、金屬消耗量低，但流體阻力大、強(qiáng)度和剛度差，制造、維修困難。 列管式換熱器雖在傳熱效率、緊湊性、金屬消耗量等方面均不如板式換熱器，但其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠程度高、適應(yīng)性強(qiáng)、材料范圍廣，因而目前仍是石油、化工生產(chǎn)中，尤其是高溫、高壓和大型換熱器的主要結(jié)構(gòu)型式。,第一節(jié) 管殼式換熱器的總體結(jié)構(gòu),一、概述,管殼式換熱器是把換熱管束與管板連接后，再用筒體與管箱包起來，形成兩個(gè)獨(dú)立的空間：管內(nèi)通道及與其相貫通的管箱，稱為管程空間；換熱管外的通道及與其貫通的部分，稱為殼程空間。,二、管殼式換熱器的種類及其結(jié)構(gòu),1 列管式換熱器的主要結(jié)構(gòu)：,2 列管式換熱器的工作原理：,列管式換熱器,列管式換熱器的主要類型,從結(jié)構(gòu)上分,固定管板式換熱器,浮頭式換熱器,U形管式換熱器,填料函式換熱器,固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)圖,(1)固定管板式換熱器,帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)圖,(1)固定管板式換熱器,(1)固定管板式換熱器 1）、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兩塊管板均與殼體相焊接，并加入了熱補(bǔ)償 原件膨脹節(jié)。 2 ）、優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、能承受較高的壓力，造價(jià)低， 管程清洗方便，管子損壞時(shí)易于堵管或更換。 3）、缺點(diǎn)：不易清洗殼程，殼體和管束中可能產(chǎn)生較大的熱 應(yīng)力。冷熱流體溫差不能太大（50) 4）、適用場(chǎng)合：適用于殼程介質(zhì)清潔，不易結(jié)垢，管程需清洗以及溫差不大或溫差雖大但是殼程壓力不大的場(chǎng)合。,折流板：提高殼程流體的流速和湍動(dòng)程度。,隔板：增加管程數(shù)，提高管內(nèi)流體流速。流速增加，傳熱效率提高；但流動(dòng)的阻力也同時(shí)增加。,膨脹節(jié)的作用：由于兩塊管板都與殼體固定，當(dāng)殼體、換熱管受熱、受壓都會(huì)發(fā)生變形，加入膨脹節(jié)減少熱應(yīng)力來吸收熱膨脹差。,當(dāng)殼體和管子之間的溫差較大(6070 )且殼體承受壓力不太高時(shí)，可采用補(bǔ)償圈（又稱膨脹節(jié)）。,(2)浮頭式換熱器,浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)圖,(2)浮頭式換熱器,(2)浮頭式換熱器,浮頭結(jié)構(gòu)圖,1 浮動(dòng)管板 2 浮頭鉤圈法蘭相連 3 浮頭蓋,1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高； 2）在殼體直徑相同時(shí)，排管數(shù)量少，換熱面積小； 3）浮頭處發(fā)生內(nèi)漏不易發(fā)現(xiàn)； 4）換熱管束與殼體之間的環(huán)隙大，傳熱效率低； 5）管束可以抽出，便于清洗； 6）管殼間不產(chǎn)生溫差應(yīng)力，可適用于高溫差、粘度大介質(zhì)換熱場(chǎng)合。,煉油廠廣泛采用！,(3)U型管式換熱器：,(3)U型管式換熱器：,(3)U形管式換熱器,U型管式換熱器的特點(diǎn)：,優(yōu)點(diǎn)：管子在管殼內(nèi)自由伸縮，適于冷熱流體溫差較大的情況；,U型換熱管可拉出殼外，便于管外清洗；,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（只有一塊管板，無后管板和浮頭），耐高溫高壓。,缺點(diǎn)：管內(nèi)清洗困難，難于安裝折流板；換熱管少（等殼徑情況下），結(jié)構(gòu)不緊湊。,2） 、適用場(chǎng)合：特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。,U型管式換熱管箱器 結(jié)構(gòu)圖,U型換熱管結(jié)構(gòu)圖,(4)填料函式換熱器,1）、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：該換熱器的結(jié)構(gòu)與浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)相似， 只是浮頭伸到了殼體外，斧頭與殼體之間采取填料函式密封。,填料函式密封,填料函式換熱器,2）、優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制造方便，造價(jià)低，管內(nèi)和管間清洗方便。,3）、缺點(diǎn)：填料處易泄漏。 4）、適用場(chǎng)合： 4MPa 以下，且不適用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒及貴重介質(zhì)，使用溫度受填料的物性限制。,30,換熱器構(gòu)件名稱,1-管箱(A,B,C,D型);2-接管法蘭;3-設(shè)備法蘭;4-管板;5-殼程接管;6-拉桿;7-膨脹節(jié);8-殼體;9-換熱管;10-排氣管;11-吊耳;12-封頭;13-頂絲;14-雙頭螺柱;15-螺母;16-墊片;17-防沖板;18-折流板或支承板;19-定距管;20-拉桿螺母;21-支座;22-排液管;23-管箱殼體;24-管程接管;25-分程隔板;26-管箱蓋,根據(jù)我們前面學(xué)習(xí)的內(nèi)容，請(qǐng)說說序號(hào)2、3、8、12、21各代表什么零件？,第二節(jié) 管殼式換熱器的主要零部件,一、殼體,（一）固定管板式換熱器中軸向內(nèi)力分析與計(jì)算 （二）殼體壁厚的確定,提示：本節(jié)將介紹管殼式換熱器殼體設(shè)計(jì)、換熱管選擇、管板、管箱、折流板及其相關(guān)聯(lián)接形式等主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。,（一）固定管板式換熱器中軸向內(nèi)力分析與計(jì)算 殼體與管束通過管板剛性連接在一起，它與一般容器殼體不同之處是，在確定其厚度時(shí)要驗(yàn)算其軸向應(yīng)力。,截面法：力平衡,變形協(xié)調(diào)方程 (EsEb),1.由介質(zhì)內(nèi)壓引起的軸向力,從計(jì)算結(jié)果可以看出，固定管板式換熱器的殼體，在承受介質(zhì)內(nèi)壓時(shí)，由于有管束的幫助，其軸向應(yīng)力比一般容器還要小，所以由內(nèi)壓引起的軸向應(yīng)力在總的軸向應(yīng)力中占的比例很小，主要需要考慮的是下面要討論的熱應(yīng)力。,殼體與管壁內(nèi)軸向應(yīng)力的計(jì)算,（一）固定管板式換熱器中軸向內(nèi)力分析與計(jì)算,2.由管束與殼體溫差引起的熱應(yīng)力,t= t(tt一t0)L,s= s(ts一t0)L,35,溫差應(yīng)力的產(chǎn)生：,2.由管束與殼體溫差引起的熱應(yīng)力,36,37,管子拉脫力的計(jì)算 限于管子與管板脹接情況。,1）.介質(zhì)壓力和溫差力對(duì)管板的作用：,假設(shè) 管壁溫度殼壁溫度,38,2）.拉脫力的計(jì)算,計(jì)算的目的：保證脹接接頭的牢固連接和良好的密封性。 拉脫力定義：管子每平方米脹接周邊上所受的力，單位為帕。 引起拉脫力的因素為：操作壓力和溫差力。 （1）操作壓力引起的拉脫力qp: 介質(zhì)壓力作用的面積 f 如圖示,39,介質(zhì)壓力p，取管程壓力和殼程壓力兩者中的較大者。 管子外徑為d0 ；管子脹接長(zhǎng)度為l。 則拉脫力為：,（2）溫差力引起的拉脫力 qt ： 每根管承受溫差力為 tat 。 則拉脫力為：,（3）合拉脫力：兩者使管子受力方向相同取之和； 兩者使管子受力方向相反取之差。,40,（4）拉脫力判據(jù)：,計(jì)算合拉脫力必須小于許用拉脫力： qq,管端不卷邊，管板孔不開槽 取2.0MPa。,管端卷邊或管板孔開槽 取4.0MPa 。,許用拉脫力q的確定：,41,42,43,44,3） 溫差應(yīng)力的補(bǔ)償,目的：解決殼體與管束軸向變形的不一致性?；蛘哒f，消除殼體與管子間的剛性約束，實(shí)現(xiàn)殼體和管子自由伸縮。 補(bǔ)償方法： a.減小殼體與管束間的溫度差 使傳熱膜系數(shù)大的流體走殼程； 殼壁溫度低于管壁溫度時(shí)，對(duì)殼體進(jìn)行保溫。 b.裝設(shè)撓性構(gòu)件 殼體上安裝膨脹節(jié)；（見書P217 圖7-38） 將直管制成帶S形彎的管。如氨合成塔內(nèi)的冷管：,45,c.采用殼體與管束自由伸縮的結(jié)構(gòu),（1）填料函式換熱器,46,填料函結(jié)構(gòu)之三,47,（2）浮頭式換熱器,48,浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)之二,49,d.套管式結(jié)構(gòu) 如三十萬噸合成氨裝置中的廢熱鍋爐；,50,氨合成塔中雙套管式觸煤筐冷管結(jié)構(gòu),51,4) 膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)及設(shè)置,裝在固定管板式換熱器上的撓性元件。 a.膨脹節(jié)的作用及結(jié)構(gòu)形式： 作用：對(duì)管子與殼體的膨脹變形差進(jìn)行補(bǔ)償，以消除或減小溫差應(yīng)力； b.結(jié)構(gòu)形式： (1）平板焊接膨脹節(jié)； (2）波形膨脹節(jié)；,52,(3)夾殼式膨脹節(jié),(4)波紋管,53,c.必須設(shè)置膨脹節(jié)的條件：,滿足下述條件之一者：,d.膨脹節(jié)的選用及安裝 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：GB16749-1997壓力容器波形膨脹節(jié) 安裝注意：1）與殼體對(duì)接焊，保證焊透； 2）要進(jìn)行無損探傷； 3）最低點(diǎn)設(shè)置排液孔。,當(dāng)殼體受軸向拉伸時(shí)，其強(qiáng)度條件：,（二）.殼體壁厚的確定,1.設(shè)計(jì)按壓力容器壁厚計(jì)算公式計(jì)算,2.校核軸向應(yīng)力（介質(zhì)應(yīng)力與熱應(yīng)力）,公式？,注：s為殼體應(yīng)力，并非屈服極限,換熱器殼體的公稱直徑以400mm為基數(shù)，以100mm為進(jìn)級(jí)擋。和卷制容器筒體稍有不同的是，必要時(shí)也可采用50mm為進(jìn)級(jí)擋。 DN不大于400mm的殼體，可以用鋼管制作。 換熱器殼體最小壁厚遠(yuǎn)大于一般容器，其規(guī)定見表162。,二、管束,1、換熱管的尺寸、規(guī)格及材料,換熱管 換熱管是管殼式換熱器的傳熱元件，主要通過管壁的內(nèi)外 面進(jìn)行傳熱，所以換熱管的形狀、尺寸和材料，對(duì)傳熱有很大 的影響。 小管徑且管壁較薄的管子在相同的殼徑內(nèi)可以排列較多的 管子，使換熱器單位體積的傳熱面積增大、結(jié)構(gòu)緊湊，單位傳 熱面積金屬耗量少，傳熱效率也稍高一些，但制造麻煩，且易 結(jié)垢，不易清洗。,換熱管材料,由壓力、溫度、介質(zhì)的腐蝕性能決定。主要有碳素鋼、合金鋼、銅、鈦、塑料、石墨等。,金屬材料,碳素鋼,低合金鋼,不銹鋼,銅,銅鎳合金,鋁合金,鈦等,非金屬材料,石墨,陶瓷,聚四氟乙烯等,管子選用，要注意 單位傳熱面積的金屬耗量， 傳熱效果， 結(jié)構(gòu)緊湊， 清洗及結(jié)垢等等因素。,一般對(duì)清潔流體用小直徑管子，粘性較大的或污染的流體采用大直徑管子。 我國管殼式換熱器常用換熱管為： 碳鋼、低合金鋼管（外徑壁厚）： 192、 252.5、 383、 573.5 ； 不銹鋼管 252、 382.5。,長(zhǎng)度規(guī)格：1、1.5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m，在煉油廠所用的換熱器中最常用的是6m管長(zhǎng)。換熱管一般都用光管，為了強(qiáng)化傳熱，也可用螺紋管、帶釘管及翅片管。換熱器的長(zhǎng)度與公稱直徑之比（L/D），一般為425，常用的為610，立式換熱器多為46。,2、換熱管在管板上的排列方式,有正三角形、轉(zhuǎn)角正三角形、正方形和轉(zhuǎn)角正方形、同心圓等。如圖所示。,流體流動(dòng)方向,流體流動(dòng)方向,正三角形,轉(zhuǎn)角正三角形,（1） 三角形排列,正三角形排列的管束,正三角形最普遍，因?yàn)樵谙嗤墓馨迕娣e上排管最多，結(jié)構(gòu)緊湊，同一板上管子比正方形多排10%左右，但管外清洗不方便；,適用于殼程介質(zhì)污垢少，且不需要進(jìn)行機(jī)械清洗的場(chǎng)合。,管板,焊接管口,流體流動(dòng)方向,流體流動(dòng)方向,正方形,轉(zhuǎn)角正方形,正方形排管少，結(jié)構(gòu)不夠緊湊,但管外清洗較方便。一般在固定管板式換熱器中多用三角形排列，浮頭式換熱器、填料函式換熱器中多用正方形排列。,換熱管排列圖,（2） 正方形排列,正三角形與轉(zhuǎn)角正方形排列時(shí)，流體在垂直流向拆流板缺口時(shí)，正對(duì)換熱管，沖刷換熱管外表面，可提高換熱效果。同時(shí)，此二種排列方式較轉(zhuǎn)角正三角形和正方形排列的流體通道截面小，有利于提高流速，提高換熱效率。,流體流動(dòng)方向,轉(zhuǎn)角正方形,流體流動(dòng)方向,正三角形,隆重排薦,在多程換熱器中多采用組合排列方法。即每一程中都采用三角形排列法，而在各程之間，為了便于安裝隔板，則采用正方形排列法。,（3）組合排列,（4）同心圓排列法,同心圓排列結(jié)構(gòu)緊湊，在換熱直徑較小時(shí)，排管數(shù)比三角形排列法的管數(shù)多，換熱面積最大。 優(yōu)點(diǎn)是靠近殼體的地方布管均勻，介質(zhì)不易走短路。 可用于制氧設(shè)備中或大型蒸發(fā)裝置中。 同心圓排列由于管間距不等使得殼程各處壓力不等，流體容易從阻力小的地方漏流，較少采用。,無論何種排列方式，最外圈換熱管外壁與殼體壁間的距離均不應(yīng)小于換熱管外徑的1/4，且不小于810mm。,3、管間距（換熱管中心距）,管間距：管板上兩換熱管中心的距離。 管間距用s表示，多程換熱器分程隔板兩側(cè)管間距應(yīng)加大，用sn表示。管間距影響管板強(qiáng)度與殼程阻力、換熱器外形尺寸等。,管間距要便于管子與管板間的連接，因?yàn)閷?duì)于脹接或焊接來講，管子間距離太近，都會(huì)影響連接質(zhì)量。最外層管壁與殼壁之間的距離為10mm，主要是為折流板易于加工，不易損壞。,4、最大布管限定圓直徑DL,（1）固定管板式、U管式 DLDi2b3， b30.25d0且不小于8mm,（2）浮頭式 DLDi2(b1+b2+b) b2bG+1.5mm,5、管子與管板的連接,管子與管板的連接方法有：脹接、焊接、脹焊接結(jié)合等。 1）、脹接（ strength expanded joint） 利用脹管器擠壓伸入管板孔中的管子端部，使管端發(fā)生塑性變形，管板孔同時(shí)產(chǎn)生彈性變形，取去脹管器后，管板與管子產(chǎn)生一定的擠壓力，貼在一起達(dá)到密封緊固連接的目的。,（a）脹管前,（b）脹管后,脹管前后示意圖,脹管結(jié)束後： 管板孔邊緣彈性回復(fù)，擠壓管端并貼緊。,脹管過程發(fā)生： 管子端部塑性變形； 管板孔邊緣彈性變形。,適用范圍：換熱管為碳素鋼，管板為碳素鋼或低合金鋼，設(shè)計(jì)壓力4MPa，設(shè)計(jì)溫度300，管外徑14mm且無特殊要求的場(chǎng)合。,要求：管板硬度管子硬度，否則將管端退火后再脹接。脹接時(shí)管板上的孔可以是光孔，也可開槽(開槽可以增加連接強(qiáng)度和緊密性)。,液壓脹管器,液壓脹接,機(jī)械脹接,優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單方便； 消除間隙避免間隙腐蝕。 缺點(diǎn)：溫度升高時(shí)，管端會(huì)發(fā)生松弛 泄漏。 適用條件：p4.0MPa , t350。 注意：管端硬度管板硬度。,管板厚度較大時(shí)，為提高管子抗拉脫能力及增密封性能，需要在管孔中開環(huán)形槽。,保證緊密性的方法： 管板孔開槽； 脹接周邊保證清潔； 管子硬度低于管板孔周邊硬度。 保證管端硬度較低并且低于管板硬度的方法： 管端退火處理。 選材考慮。,2）、焊接（strength welded joint）,強(qiáng)度焊接連接是將換熱管的端部與管板焊在一起。,優(yōu)點(diǎn)： 高溫高壓下能保證連接的緊密性； 管板孔加工精度要求不高，低于脹接； 焊接工藝簡(jiǎn)單； 壓力不高時(shí)可用薄管板。 缺點(diǎn)： 存在焊接熱應(yīng)力應(yīng)力腐蝕； 管與孔間有間隙形成介質(zhì)死區(qū)，間隙腐蝕。,80,管與管板焊接形式：,克服了單純的焊接及脹接的缺點(diǎn)，主要優(yōu)點(diǎn)是： 連接緊密，提高抗疲勞能力； 消除間隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕； 提高使用壽命。 施工方式：先脹後焊；先焊後脹。 脹接貼脹；強(qiáng)度脹。 焊接密封焊，強(qiáng)度焊。 根據(jù)不同情況具體制定施工工藝。,3）、焊脹結(jié)合,3）、焊脹結(jié)合,脹焊結(jié)合連接主要有： 強(qiáng)度焊密封脹先焊后脹。 強(qiáng)度脹密封焊先脹后焊。 概念解釋：密封焊不保證強(qiáng)度，只防漏； 強(qiáng)度焊既防漏，又保證抗拉脫強(qiáng)度； 密封脹只消除間隙，不承擔(dān)拉脫力； 強(qiáng)度脹既消除間隙，又滿足脹接強(qiáng)度。,脹焊結(jié)合連接方式的適用性,脹焊結(jié)合的連接方式適用于密封要求較高、承受振動(dòng)或疲勞載荷、有間隙腐蝕、采用復(fù)合管板的場(chǎng)合。,目前，先焊后脹與先脹后焊兩派學(xué)說仍處于爭(zhēng)議之中。,三、管板及管程的分程,列管式換熱器的管板所受裁荷除管程與殼程壓力之外，還承受管壁與殼壁的溫差引起的變形不協(xié)調(diào)作用。固定式管板受力情況較復(fù)雜，影響管板應(yīng)力大小有如下因素：,管板自身的Di、材料強(qiáng)度、使用溫度等對(duì)管板應(yīng)力有顯著的影響； 管束對(duì)管板的支承作用。管板與許多換熱管剛性地固定在一起，因此，管束起著支承的作用，阻礙管板的變形。在進(jìn)行受力分析時(shí)，常把管板看成是放在彈性基礎(chǔ)上的平板，列管就起著彈性基礎(chǔ)的作用。,1、管板受力特點(diǎn),管孔對(duì)管板強(qiáng)度和剛度的影響。管孔的存在，削弱了管板的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)管孔邊緣產(chǎn)生峰值應(yīng)力。當(dāng)管子與管板連接之后，管板孔內(nèi)的管子又能增加管扳的強(qiáng)度和剛度，而且也抵消了一部分峰值應(yīng)力。,管板周邊支承形式的影響。管板邊界條件不同，管板應(yīng)力狀態(tài)也是不一樣的。管板外邊緣有不同的固定形式，如夾持、簡(jiǎn)支、半夾持等。這些不同的固定形式對(duì)管板應(yīng)力產(chǎn)生不同程度的影響。,溫度對(duì)管板的影響。由于管壁與殼壁溫度的差異，各自的變形量也不同，這不僅使管子和殼體的應(yīng)力有顯著增加，而且使管板應(yīng)力有很大的增加，同時(shí)，由于管板的上下表面接觸不同溫度的介質(zhì)，使上下表面溫度不同，亦會(huì)在管板內(nèi)產(chǎn)生溫差應(yīng)力。,當(dāng)管板兼做法蘭時(shí)，擰緊法蘭螺栓，在管板上又會(huì)產(chǎn)生附加彎矩，折流板間距、最大壓力作用位置等也都對(duì)管板應(yīng)力有影響。,三、管板及管程的分程,2、管板厚度的設(shè)計(jì)方法,管板厚度設(shè)計(jì)方法有如下幾種:,將管板當(dāng)作受均布載荷的實(shí)心圓板，以按彈性理論得到的圓平板最大彎曲應(yīng)力為主要依據(jù)，加入適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)來考慮管板開孔削弱和管束的實(shí)際支承作用。這種設(shè)計(jì)方法對(duì)管板作了很大簡(jiǎn)化，因而是一種半經(jīng)驗(yàn)公式。但由于公式計(jì)算簡(jiǎn)便，同時(shí)又有長(zhǎng)期使用經(jīng)驗(yàn)，結(jié)果比較安全，因而不少國家的管板厚度設(shè)計(jì)公式仍以此作為基礎(chǔ)。,三、管板及管程的分程,將管束當(dāng)作彈性支承，而管板則作為放置于這一彈性基礎(chǔ)上的圓平板，然后根據(jù)載荷大小、管束的剛度及周邊支承情況來確定管板的彎曲應(yīng)力。由于它比較全面地考慮了管束的支承和溫差的影響，因而計(jì)算比較準(zhǔn)確，但計(jì)算公式較多，計(jì)算過程也較繁雜。在計(jì)算機(jī)普遍應(yīng)用的今天，是一種有效的設(shè)計(jì)方法。,取管板上相鄰四根管子之間的菱形面積，按彈性理論求此面積在均布?jí)毫ψ饔孟碌淖畲髲澢鷳?yīng)力。由于此法與管板實(shí)際受載情況相差甚大，所以僅用于粗略計(jì)算。,我國鋼制管殼式換熱器設(shè)計(jì)規(guī)定中采用的是上述第2種方法。,3、管程的分程,當(dāng)換熱器所需的換熱面積較大，可增加管子長(zhǎng)度或增加管子的數(shù)目。 增加管長(zhǎng)是有限度的，一般不超過6m。增加管子數(shù)量則要保證管內(nèi)流體有一定的流速，流速太低，傳熱效果則較差。此時(shí)為了增加管程流速，提高傳熱效率，須將管束分程，使流體依次流過各程管子。,為什么要分程？,換熱面積較大，要進(jìn)行分程 1）.管子太長(zhǎng)，設(shè)備長(zhǎng)徑比過大，浪費(fèi)材料； 2）.增加流速，提高傳熱效果。 分程要求： 1）各程管數(shù)大致相同； 2）相鄰程管壁溫差不大于28； 3）程間密封長(zhǎng)度應(yīng)最短； 4）隔板形狀應(yīng)簡(jiǎn)單。 常用管程數(shù)為：1，2，4，6，8，12。,管箱分程：,分程舉例： 2程,4程,97,分程隔板及其與管板間的密封,管箱結(jié)構(gòu)：,98,隔板：?jiǎn)螌蛹半p層。,雙層隔板的結(jié)構(gòu)如圖。雙層隔板有隔熱空間，可防止熱流短路（即不使已冷或已加熱的流體被剛進(jìn)入的熱或冷流體經(jīng)隔板而再被加熱或冷卻）。,3、管程的分程,分程隔板與管板的連接,分程隔板有單層和雙層兩種。單層隔板與管板的密封結(jié)構(gòu)圖所示。隔板的密封面寬度應(yīng)為隔板厚度加2mm。隔板材料應(yīng)與封頭材料相同。,4、管板與殼體的連接,4、管板與殼體的連接,列管式換熱器管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)分為可拆式與不可拆式兩類。 固定管板式換熱器的管板與殼體間采用不可拆的焊接連接，而浮頭式、U形管式和填料函式換熱器的管板采用可拆式連接。,4、管板與殼體的連接,（1）固定管板式換熱器管板與殼體的連接,兼作法蘭情況：,兼做法蘭時(shí)管板與殼體的連接結(jié)構(gòu),管板不兼作法蘭結(jié)構(gòu)：,管板不作法蘭時(shí)，與殼體的連接結(jié)構(gòu)如圖。由于法蘭力矩不作用在管板上，改善了管板受力情況。,（a）p.a殼程介質(zhì)無間隙腐蝕作用時(shí)采用,4、管板與殼體的連接,（2）浮頭式、U形管式及填料函式換熱器固定端管板與殼體的連接,由于浮頭式、U形管式及填料函式換熱器的管束要從殼體中抽出，以便進(jìn)行清洗，故需將固定管板做成可拆連接。,管板夾于殼體法蘭和頂蓋法蘭之間，卸下頂蓋就可把管板同管束從殼體中一起抽出來。,4、管板與殼體的連接,（2）浮頭式、U形管式及填料函式換熱器固定端管板與殼體的連接,115,非固定式管板,116,浮頭式、U形管式和填料函式換熱器上的管板為可拆式結(jié)構(gòu)，以便清理殼程。,5、管板上的拉桿孔,管箱的作用:將進(jìn)入管程的流體均勻分布到各換熱管，把管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器。在多管程換熱器中，管箱還可通過設(shè)置隔板起分隔作用。,四、管箱,(a)適用于較清潔介質(zhì)工況。檢查換熱管內(nèi)及清洗換熱管時(shí)，必須將連接管道一起拆下，很不方便。,(b)在清洗換熱管內(nèi)時(shí)，僅將平蓋拆下，不及拆除連接管道，易清洗和檢查。目前設(shè)計(jì)中采用較多。缺點(diǎn)是用材較多。,(c)將管箱與蓋板焊成一體?？杀苊庠诠馨迕芊馓幍男孤芟洳荒軉为?dú)拆下，檢修清洗不方便，很少采用。,(d)多程隔板安置的一種形式。其接管安裝形有多種。如圖。,附：換熱器型號(hào)的表示方法,例 浮頭式換熱器 平蓋管箱，公稱直徑500mm，管程和殼程設(shè)計(jì)壓力均為1.6MPa，公稱換熱面積54，較高級(jí)冷拔換熱管外徑25mm，管長(zhǎng)6m，4管程單殼程的浮頭式換熱器，其型號(hào)為： AES500-1.6-54-6/25-4,固定管板式換熱器 封頭管箱，公稱直徑700mm，管程設(shè)計(jì)壓力2.5MPa，殼程設(shè)計(jì)壓力1.6MPa，公稱換熱面積200 ，較高級(jí)冷拔換熱管外徑25mm,管長(zhǎng)9m，4管程單殼程的固定管板式換熱器，其型號(hào)為： BEM700-2.5/1.6-200-9/25-4,U型管式換熱器 封頭管箱，公稱直徑500mm，管程設(shè)計(jì)壓力4.0MPa，殼程設(shè)計(jì)壓力1.6MPa，公稱換熱面積75 ，較高級(jí)冷拔換熱管外徑19mm,管長(zhǎng)6m，2管程單殼程的U型管式換熱器，其型號(hào)為： BIU500-4.0/1.6-75-6/19-2,釜式重沸器 平蓋管箱，管箱內(nèi)直徑600mm，圓筒內(nèi)直徑1200mm，管程設(shè)計(jì)壓力2.5MPa，殼程設(shè)計(jì)壓力1.0MPa，公稱換熱面積90，普通級(jí)冷拔換熱管外徑25mm,管長(zhǎng)6m，2管程釜式重沸器，其型號(hào)為： AKT-600/1200-2.5/1.0-90-6/25-2,浮頭式冷凝器 封頭管箱，公稱直徑1200mm，管程設(shè)計(jì)壓力2.5MPa，殼程設(shè)計(jì)壓力1.0MPa，公稱換熱面積610，普通級(jí)冷拔換熱管外徑25mm,管長(zhǎng)9m，4管程單殼程的浮頭式冷凝器，其型號(hào)為： BJS1200-2.5/1.0-610-9/25-4,在對(duì)流傳熱的換熱器中，為了提高殼程內(nèi)流體的流速和加強(qiáng)湍流程度，以提高傳熱效率，在殼程內(nèi)裝置折流板。折流板還起支撐換熱管的作用。,五、折流板 、支撐板及短路防沖等殼程,1、橫向折流板,折流板作用： 提高殼程內(nèi)流體的流速； 加強(qiáng)湍流強(qiáng)度； 提高傳熱效率； 支撐換熱管。 （當(dāng)工藝上無折流板要求而管子較細(xì)長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)考慮有一定數(shù)量的支承板，以便安裝和防止管子變形；支撐板的尺寸、形狀可與折流板相同。）,折流板和支承板可分為橫向和縱向兩種。 前者使流體橫過管束流動(dòng)； 后者則使管間的流體平行流過管束。,折流板是設(shè)置在殼體內(nèi)與管束垂直的弓形或圓盤圓環(huán)形平板，安裝折流板迫使殼程流體按照規(guī)定的路徑多次橫向穿過管束，既提高了流速又增加了湍流速度，改善了傳熱效果，在臥式換熱器中折流板還可起到支撐管束的作用。 常用的折流擋板：?jiǎn)喂巍㈦p弓形、三弓形和盤圓環(huán)形。,單弓形折流擋板,單弓形折流擋板對(duì)介質(zhì)流向的影響:,1、橫向折流板,盤環(huán)形折流擋板對(duì)介質(zhì)流向的影響,圓盤圓環(huán)形折流擋,雙弓形板換熱器 性能特點(diǎn) 雙弓形板換熱器的管束由相鄰兩種折流板組成支撐件，流體呈順錯(cuò)流流動(dòng)，從而克服了普通單弓形板換熱器的殼程流體，在流動(dòng)中的180度轉(zhuǎn)彎所造成的死區(qū)、阻力大、易震動(dòng)等缺陷。 在相同殼程壓力降下，雙弓形板換熱器殼程流體的流速一般可提高1. 5倍以上，從而強(qiáng)化了傳熱。通過管束的阻力僅為單弓形扳換熱器的1/51/8，因此減少板間距和殼徑來提高流速是常用手段。,圖7-28 帶扇形切口折流板,螺旋折流板換熱器是管殼式換熱器的一種形式。每塊折流板占1/4的橫截面積，呈螺旋狀自進(jìn)口至出口方向逐一布置。折流板對(duì)換熱器中心線保持一定的傾斜角度，四塊折流板完成360。內(nèi)的旋轉(zhuǎn)，這樣在殼體內(nèi)形成連續(xù)的螺旋，使流體流動(dòng)接近柱塞流動(dòng)。,螺旋折流板換熱器基本原理及折流板形式 螺旋折流板換熱器的提出基于這樣一種思想:通過改變殼側(cè)折流板的布置 ，使殼側(cè)流體呈連續(xù)的螺旋狀流動(dòng)。因此 ，理想的折流板布置應(yīng)該為連續(xù)的螺旋曲面。但是 ，螺旋曲面加工困難 ，而且換熱管與折流板的配合也較難實(shí)現(xiàn).考慮到加工上的方便 ，采用一系列的扇形平面板(稱之為螺旋折流板)替代曲面相間連接 ，在殼側(cè)形成近似螺旋面 ，使殼側(cè)流體產(chǎn)生近似連續(xù)螺旋狀流動(dòng)。一般來說 ，出于加工方面的考慮，一個(gè)螺距取 24 塊折流板 ，相鄰折流板之間有連續(xù)搭接和交錯(cuò)搭接兩方式 ，按流道又可分為單螺旋和雙螺旋兩種結(jié)構(gòu)。,性能特點(diǎn)： 與普通的弓形折流板換熱器相比，螺旋折流板換熱器有以下的性能改進(jìn)： 衡量換熱效果好壞的綜合效益系數(shù)(即傳熱速率與壓力降的比值)有較大的提高： ABB公司以水一水為介質(zhì)，進(jìn)行普通弓形折流板和螺旋折流板的傳熱與壓力降實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果為：(a)螺旋折流板換熱器殼程傳熱系數(shù)約提高1.8倍；(b)壓力降減少約4.5倍。 殼程流體流動(dòng)狀態(tài)的改變： 弓形折流板使殼程流體基本上處于橫穿管子的錯(cuò)流流動(dòng)，在90度轉(zhuǎn)彎處易有固體顆粒堆積和結(jié)垢產(chǎn)生。而螺旋折流板每塊折流板僅占1/4橫截面積，與中心線有一定角度的傾斜。消除了流動(dòng)死區(qū)，減少了固體顆粒堆積和結(jié)垢的生成。不易引起管子的振動(dòng)。,較低的壓力降允許流體提高流速，以使膜傳熱系數(shù)有較大的提高： 因?yàn)闅こ虊毫祪H為普通弓形折流板的1/4-1/5，故可以允許介質(zhì)高速流過從而強(qiáng)化傳熱效果。在滿足管程需求的同時(shí)，可以盡量提高殼程流動(dòng)速度來提高膜傳熱系數(shù)。這樣，螺旋折流板換熱器需要精心設(shè)計(jì)，尋求適合的殼徑與管長(zhǎng)的比例，以達(dá)到提高總傳熱速率、減少換熱面積的目的。,對(duì)于限制殼程壓力降的設(shè)備，在利用原有殼徑的基礎(chǔ)上，螺旋折流板換熱器可以發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)。,傳統(tǒng)弓形隔板支撐存在一些弊端：阻力大、死角多、傳熱面積無法被充分利用,易引發(fā)流體流動(dòng)振動(dòng)等。為了使折流板的性能得到改進(jìn),近年又研發(fā)出了多弓形折流板、整圓形折流板(如圖)、異形孔折流板、網(wǎng)狀板等。這些新型折流板支承結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)主要是為了使流體由橫向流動(dòng)變?yōu)榭v向流動(dòng),從而盡可能地消除死區(qū),使得傳熱綜合性能得到提高,也使得管束的抗振性能得到增強(qiáng)。,各種折流板中弓形折流板用得較普遍，這種形式使流體只經(jīng)折流板切去的圓缺部分而垂直流過管束，流動(dòng)中死區(qū)較少。,（1）橫向折流板的尺寸,弓形折流板缺口高度應(yīng)使流體通過缺口時(shí)與橫過管束時(shí)的流速相近。缺口高度h=（0.20.45）Di,橫向折流板和支承板的厚度與殼體直徑和折流板間距有關(guān)，且對(duì)換熱器的振動(dòng)也有影響。一般情況下其最小厚度按標(biāo)準(zhǔn)選取。當(dāng)殼程流體有脈動(dòng)或用作浮頭式換熱器浮頭端的支承板時(shí)，則厚度必須予以特別考慮。,（1）橫向折流板的尺寸-厚度,折流板一般應(yīng)按等間距布置，管束兩端的折流板盡可能靠近殼程進(jìn)、出口接管。 臥式換熱器的殼程為單相清潔流體時(shí)，折流板缺口應(yīng)水平上下布置，若氣體中含有少量液體時(shí)，則應(yīng)在缺口朝上的折流板的最低處開通液口；若液體中含有少量氣體時(shí)，則應(yīng)在缺口朝下的折流板最高處開通氣。 臥式換熱器、冷凝器和重沸器的殼程介質(zhì)為氣、液相共存或液體中含有固體物料時(shí)，折流板缺口應(yīng)垂直左右布置，并在折流板最低處開通液口。,（2）橫向折流板的間距,折流板最小間距一般不小于圓筒內(nèi)直徑的1/5，且不小于50mm，且相鄰兩塊折流板間距不得大于殼體內(nèi)直徑。特殊情況下也可取較小的間距。 最大無支撐跨距如下表。,（2）橫向折流板的間距,安裝折流擋板的目的是為提高管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，為取得良好的效果，擋板的形狀和間距必須適當(dāng)。 對(duì)圓缺形擋板而言，弓形缺口的大小對(duì)殼程流體的流動(dòng)情況有重要影響。如圖：弓形缺口太大或太小都會(huì)產(chǎn)生“死區(qū)“，既不利于傳熱，又往往增加流體阻力。,a.切除過少 b.切除適當(dāng) c.切除過多,我國系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的擋板間距為： 固定管板式有100，150，200，300，450，600，700mm七種 浮頭式有100，150，200，250，300，350，450（或480），600mm八種。,折流板與殼體之間的間隙越小，殼程流體由此泄漏的量越少，傳熱效率越高。但間隙過小，給制造和安裝帶來困難。間隙的確定可參考下表。,（3）橫向折流板與殼體間隙,折流板的加工,（4）折流板與支持板的固定,折流板和支承板的固定是通過拉桿和定距管完成的。拉桿是一根兩端皆有螺紋的長(zhǎng)桿，一端擰入管板，將折流板穿在拉桿上，折流板的間距由定距管隔離并保持板間距，最后一塊折流板用螺母擰緊在拉桿上。,d14mm時(shí),折流板的固定方法,2、支持板,當(dāng)換熱器不需設(shè)折流板，但換熱管無支撐跨距超過相關(guān)規(guī)定時(shí)，則應(yīng)設(shè)支持板，用來支撐換熱管，以防止換熱管產(chǎn)生過大的撓度。 浮頭式換熱器浮頭端宜設(shè)置加厚環(huán)板的支持板。,3、縱向折流板-殼程分程,縱向折流板是使流體平行管束流動(dòng)，在傳熱上不如垂直流過管束好。但可提高流速，所以也可較好地提高傳熱效率。其主要缺點(diǎn)是：縱向折流板與殼體壁間的密封不易保證，容易造成短路。,3、縱向折流板-殼程分程,對(duì)分流,雙分流,殼程(E,F,G,H,J,K,X),殼程類型的選擇：,F型換熱器具有一個(gè)縱向擋板，形成串聯(lián)雙殼程流道，當(dāng)換熱器為雙管程時(shí)，殼程縱向擋板可以使管程和殼程的流體達(dá)到完全的逆流。較高殼程的流體會(huì)通過縱向擋板向另一殼程有熱滲漏；壓力差會(huì)使流體短路。,殼程類型的選擇：,換熱器不同殼型的相對(duì)性能比較,4、防短路結(jié)構(gòu)擋板,當(dāng)殼體與管束之間存在較大間隙時(shí)，如浮頭式、U形管式和填料函式換熱器，可在管束上增設(shè)旁路擋板，以阻止流體短路，迫使殼程流體通過管束進(jìn)行熱交換。,旁路擋板可用6mm厚的扁鋼制成，采用對(duì)稱布置， 每側(cè)為24塊。擋板加工成規(guī)則的長(zhǎng)條狀，長(zhǎng)度等于折流板或支承板的板間距，兩端焊在折流板或支承板上。,DN500mm時(shí)，設(shè)一對(duì)旁路擋板。 DN=500mm1000時(shí)，設(shè)兩對(duì)旁路擋板。 DN1000mm時(shí)，設(shè)三對(duì)旁路擋板。,殼體與管束之間存在有較大間隙時(shí)，為避免流體走短路，沿縱向設(shè)置板條，迫使流體穿過管束。,4、防短路結(jié)構(gòu)擋管,擋管兩端堵死的換熱管，設(shè)置于分程隔板槽背面兩管板之間，擋管與換熱管的規(guī)格相同，可與折流板點(diǎn)焊固定，也可用拉桿（帶定距管或不帶定距管）代替。 擋管應(yīng)每隔3-4排換熱管設(shè)置一根，但不應(yīng)設(shè)置在折流板缺口處。擋管伸出第一塊及最后一塊折流板或支持板的長(zhǎng)度應(yīng)不大于50mm,擋管應(yīng)與任意一塊折流板焊接固定。,4、防短路結(jié)構(gòu)中間擋板,（a）中間擋板設(shè)置在U形管束的中間通道處，并與折流板點(diǎn)焊固定（b）把最里面一排的U形彎管傾斜布置使中間通道變窄，同時(shí)加擋管以防止流體短路。,5、防沖板與攔液板-防沖板,為防止殼程進(jìn)口接管處殼程流體對(duì)換熱管的直接沖刷，可設(shè)置殼程的防沖擋板,板可焊在筒體上或焊在拉桿上，板可開孔，也可不開。,擴(kuò)大管,在立式冷凝器中，為減薄管壁上的液膜而提高傳熱膜系數(shù)，推薦在冷凝器中裝置攔液板以起截?cái)r液膜作用。,5、防沖板與攔液板-攔液板,6、排液孔與排氣孔,換熱器殼程與管程的最高點(diǎn)要設(shè)排氣孔，以備試壓時(shí)排除氣體。 在最低點(diǎn)要設(shè)排液孔，以充分排除殘液。,附：折流桿換熱器,折流圈籠和管板的組裝圖,優(yōu)點(diǎn)： 、不易發(fā)生誘導(dǎo)振動(dòng)損失； 、傳熱死區(qū)小，傳熱效率提高20%以上； 、壓降??； 、抗垢性能優(yōu)良； 、有強(qiáng)化冷凝的機(jī)理； 、適用于換熱器大型化，特別是在核電換熱器應(yīng)用；適用于冷凝、沸騰場(chǎng)合的換熱器； 、適用于壓縮機(jī)級(jí)間冷卻和煙氣預(yù)熱器。 缺點(diǎn)： 、在低雷諾數(shù)Re6000（液相）、Re10000（氣相）熱效率較低； 、造價(jià)提高35%。,六、波形膨脹節(jié),溫差應(yīng)力產(chǎn)生的原因是管與殼膨脹的不一致性和管與殼之間的剛性約束。消除或減小熱應(yīng)力的措施 就是減少管殼間的溫差，以降低膨脹的不一致性，或在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)以削弱剛性約束，或采用自由膨脹結(jié)構(gòu)。,1、膨脹節(jié)的基本形式及其特點(diǎn),膨脹節(jié)是裝在固定管板式換熱器上的撓性元件，對(duì)管子與殼體的膨脹變形差進(jìn)行補(bǔ)償，以此減少或消除溫差應(yīng)力。在換熱器中采用的膨脹節(jié)一般有三種型式： 平板形、 形和U形,（1）平板形：制造容易，撓性差，適用于直徑大、溫差小及常壓低壓設(shè)備；,（2）形：用薄壁管焊接而成，在焊接處易產(chǎn)生較大應(yīng)力，且不易焊透，它適用于小直徑筒體或應(yīng)力較小的場(chǎng)合；,（3）U形：又稱波形膨脹節(jié)，可做成單層或多層，多層比單層優(yōu)點(diǎn)多，如彈性大、靈敏度高、補(bǔ)償能力強(qiáng)、承壓能力及耐疲勞強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)。 U形膨脹節(jié)使用最為普遍。為了提高膨脹節(jié)的承壓能力，可在每一波形之間增加一個(gè)加強(qiáng)環(huán)。,2、設(shè)置膨脹節(jié)的條件,判斷固定管板式換熱器是否需要設(shè)置膨脹節(jié)，要從管束與殼體的軸向強(qiáng)度、穩(wěn)定性及管子與管板連接處的拉脫力三方面考慮，任意一個(gè)失效時(shí)均需設(shè)置膨脹節(jié)。,若滿足下列條件之一者，必須設(shè)置膨脹節(jié)：,（1） s 2ts; s 殼體應(yīng)力,（2） t 2tt; t 管子應(yīng)力,（3） s B,（4）管子拉脫力q q。,F1由殼體和管子之間溫差引起的軸向力，N。,F2由殼程和管程壓力作用于殼體上的軸向力，N；,Q0.25(D2in d2o) ps n(do2St)2 pt St管子壁厚，mm,F3由殼程和管程壓力作用于管子上的軸向力，N,第三節(jié) 列管式（管殼式）換熱器選用,186,（一）工藝計(jì)算,選型；確定管、殼程；通過化工工藝計(jì)算，確定換熱器的傳熱面積，同時(shí)選擇管徑、管長(zhǎng)，決定管數(shù)、管程數(shù)和殼程數(shù) 。,（二）機(jī)械設(shè)計(jì)本章已討論,1）殼體直徑的決定和殼體厚度的計(jì)算； 2）換熱器封頭選擇，壓力容器法蘭選擇； 3）管板尺寸確定； 4）折流板的選擇與計(jì)算； 5）管子拉脫力的計(jì)算； 6）溫差應(yīng)力計(jì)算。,第三節(jié) 列管式（管殼式）換熱器選用,選用、設(shè)計(jì)原則,冷、熱流體流動(dòng)通道的選擇的一般原則： a) 不潔凈或易結(jié)垢的液體宜在管程，因管內(nèi)清洗方便。 b) 腐蝕性流體宜在管程，以免管束和殼體同時(shí)受到腐蝕。 c) 壓力高的流體宜在管內(nèi)，以免殼體承受壓力。 d) 飽和蒸汽宜走殼程，因飽和蒸汽比較清潔，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與流速無關(guān)，而且冷凝液容易排出。 e) 流量小而粘度大的流體一般以殼程為宜，因在殼程Re100即可達(dá)到湍流。但這不是絕對(duì)的，如流動(dòng)阻力損失允許，將這類流體通入管內(nèi)并采用多管程結(jié)構(gòu)，亦可得到較高的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。 f) 若兩流體溫差較大，對(duì)于剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，宜將表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大的流體通入殼程，以減小熱應(yīng)力。 g) 需要被冷卻物料一般選殼程，便于散熱。,列管式換熱器的設(shè)計(jì)和選用,流速的選擇 流體在管程或殼程中的流速，不僅直接影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，而且影響污垢熱阻，從而影響傳熱系數(shù)的大小，特別對(duì)于含有泥沙等較易沉積顆粒的流體，流速過低甚至可能導(dǎo)致管路堵塞，嚴(yán)重影響到設(shè)備的使用，但流速增大，又將使流體阻力增大。因此選擇適宜的流速是十分重要的。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，表1及表2列出一些工業(yè)上常用的流速范圍，以供參考。,傳熱總系數(shù)的確定 計(jì)算值的基準(zhǔn)面積，習(xí)慣上常用管子的外表面積。當(dāng)設(shè)計(jì)對(duì)象的基準(zhǔn)條件（設(shè)備型式、雷諾準(zhǔn)數(shù)Re、流體物性等）與某已知值的生產(chǎn)設(shè)備相同或相近時(shí)，則可采用已知設(shè)備值的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為自己設(shè)計(jì)的值。表3為常見列管式換熱器值的大致范圍。由表3選取大致值。,用下式進(jìn)行值核算。 式中：給熱系數(shù)，W/m2.； R污垢熱阻，m2.W； 管壁厚度，mm； 管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/m.； 下標(biāo)、分別表示管內(nèi)、管外和平均。 當(dāng)時(shí)近似按平壁計(jì)算，即： 在用上式計(jì)算值時(shí)，污垢熱阻、通常采用經(jīng)驗(yàn)值，常用的污垢熱阻大致范圍可查化工原理相關(guān)內(nèi)容。 式中的給熱系數(shù)，在列管式換熱器設(shè)計(jì)中常采用有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)值公式計(jì)算給熱系數(shù)，工程上常用的一些計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式在化工原理已作了介紹，設(shè)計(jì)時(shí)從中選用。, 流動(dòng)方式的選擇,除逆流和并流之外，在列管式換熱器中冷、熱流體還可以作各種多管程多殼程的復(fù)雜流動(dòng)。 流量一定時(shí)，管程或殼程越多，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越大，對(duì)傳熱過程越有利。 但采用多管程或多殼程必導(dǎo)致流體阻力損失，即輸送流體的動(dòng)力費(fèi)用增加。因此，在決定換熱器的程數(shù)時(shí)，需權(quán)衡傳熱和流體輸送兩方面的損失。 當(dāng)采用多管程或多殼程時(shí)，列管式換熱器內(nèi)的流動(dòng)形式復(fù)雜，對(duì)數(shù)平均值的溫差要加以修正。, 換熱器的流體力學(xué)計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算等等。,流體通過換熱器時(shí)阻力的計(jì)算 換熱器管程及殼程的流動(dòng)阻力，常常控制在一定允許范圍內(nèi)。若計(jì)算結(jié)果超過允許值時(shí)，則應(yīng)修改設(shè)計(jì)參數(shù)或重新選擇其他規(guī)格的換熱器。按一般經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于液體常控制在104105 Pa范圍內(nèi)，對(duì)于氣體則以103104Pa為宜。此外，也可依據(jù)操作壓力不同而有所差別，參考下表。,列管式換熱器的設(shè)計(jì)和選用的計(jì)算步驟,1 初選換熱器的規(guī)格尺寸 初步選定換熱器的流動(dòng)方式，保證溫差修正系數(shù)大于0.8，否則應(yīng)改變流動(dòng)方式，重新計(jì)算。 計(jì)算熱流量Q及平均傳熱溫差tm，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)總傳熱系數(shù)K估，初估傳熱面積A估。 選取管程適宜流速，估算管程數(shù)，并根據(jù)A估的數(shù)值，確定換熱管直徑、長(zhǎng)度及排列。 2 計(jì)算管、殼程阻力 在選擇管程流體與殼程流體以及初步確定了換熱器主要尺寸的基礎(chǔ)上，就可以計(jì)算管、殼程流速和阻力，看是否合理?；蛘呦冗x定流速以確定管程數(shù)NP和折流板間距B再計(jì)算壓力降是否合理。這時(shí)NP與B是可以調(diào)整的參數(shù)，如仍不能滿足要求，可另選殼徑再進(jìn)行計(jì)算，直到合理為止。,3 核算總傳熱系數(shù) 分別計(jì)算管、殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，確定污垢熱阻，求出總傳系數(shù)K計(jì)，并與估算時(shí)所取用的傳熱系數(shù)K估進(jìn)行比較。如果相差較多，應(yīng)重新估算。 4 計(jì)算傳熱面積并求裕度 根據(jù)計(jì)算的K計(jì)值、熱流量Q及平均溫度差tm，由總傳熱速率方程計(jì)算傳熱面積A0，一般應(yīng)使所選用或設(shè)計(jì)的實(shí)際傳熱面積AP大于A020%左右為宜。即裕度為20%左右，裕度H的計(jì)算式為,推薦的設(shè)計(jì)程序 1、作出流程簡(jiǎn)圖。 2、按生產(chǎn)任務(wù)計(jì)算換熱器的換熱量Q。 3、選定載熱體，求出載熱體的流量。 4、確定冷、熱流體的流動(dòng)途徑。 5、計(jì)算定性溫度，確定流體的物性數(shù)據(jù)（密度、比熱、導(dǎo)熱系 數(shù)等）。 6、初算平均傳熱溫度差。 7、按經(jīng)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)選取或估算值，初算出所需傳熱面積。 8、根據(jù)初算的換熱面積進(jìn)行換熱器的尺寸初步設(shè)計(jì)。包括管徑 、管長(zhǎng)、管子數(shù)、管程數(shù)、管子排列方式、殼體內(nèi)徑（需進(jìn) 行圓整）等。 9、核算。 10、校核平均溫度差。 11、校核傳熱量，要求有1525的裕度。 12、管程和殼程壓力降的計(jì)算。,（1）殼體和管箱的壁厚計(jì)算 （2）換熱管與管板連接處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （3）殼體與管板連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （4）管板厚度計(jì)算 （5）折流板、支持板等零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （6 換熱管與殼體在介質(zhì)壓力和溫差聯(lián)合作用下的應(yīng)力計(jì)算 （7）管子拉脫力和穩(wěn)定性校核 （8）判斷是否需要設(shè)置膨脹節(jié)，如果需要，則選擇膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)形式及基本尺寸； （9） 膨脹節(jié)的應(yīng)力計(jì)算及校核 （10）接管、法蘭、支座等的選擇；開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)及計(jì)算等； （11）換熱器的振動(dòng)與防振 如果選用換熱器，則應(yīng)進(jìn)行壓力降、傳熱面積及溫差應(yīng)力校核等方面的計(jì)算。,管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算步驟,附：管殼式換熱器的常見故障及排除方法,殼程式換熱器在使用的過程中，最容易發(fā)生故障的是作為換熱元件的管子。流體對(duì)管束的沖刷、腐蝕，都可能造成管子的損壞。因此在日常的維護(hù)中應(yīng)經(jīng)常對(duì)換熱器進(jìn)行檢查，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行修理。管殼式換熱器的常見故障有管子振動(dòng)、管壁積垢、腐蝕與磨損、介質(zhì)泄漏等。,一、管子的振動(dòng)與防振措施 管殼式換熱器中管子產(chǎn)生振動(dòng)是一種常見故障。 引起振動(dòng)的原因：管束與泵、壓縮機(jī)產(chǎn)生的共振；由于流速、管壁厚度、折流板間距、管束排列等綜合因素的影響而引起的振動(dòng)；流體橫向穿過管束時(shí)產(chǎn)生的沖擊等。 振動(dòng)嚴(yán)重，可能產(chǎn)生的結(jié)果：相鄰管子或管子與殼體間發(fā)生碰撞；使管子和殼壁受到磨損而開裂；管子撞擊折流板而被切斷；管端與管板連接處松動(dòng)而發(fā)生泄漏；管子發(fā)生疲勞破壞；殼程流體流動(dòng)阻力增大等。 當(dāng)換熱管發(fā)生振動(dòng)時(shí)，應(yīng)針對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生的不同原因采取不同的對(duì)策。 常用的方法：在流體人口處前設(shè)置緩沖措施防止脈沖；折流板上的孔徑與管子外徑間隙盡量地小；減小折流板間隔，使管子振幅變?。患哟蠊鼙诤穸群驼哿靼搴穸?，增加管子剛性等。,二、管壁積垢 由于換熱器操作中所處理的流體，有的是懸浮液，有的夾帶有固體顆粒，有的粘結(jié)物含量高，有的含有泥沙、藻類等雜質(zhì)。隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，在換熱管的內(nèi)外表面上會(huì)產(chǎn)生積垢。 積垢引起的故障：總導(dǎo)熱系數(shù)下降，傳熱效率降低；換熱管的管徑因積垢而減小，流體通過管內(nèi)的流速增加，造成壓力損失增大；積垢導(dǎo)致管壁腐蝕，腐蝕嚴(yán)重時(shí)，造成管壁穿孔，兩種流體混合而破壞正常操作。 對(duì)積垢采取的措施：加強(qiáng)巡回檢查，了解積垢的程度；對(duì)某些可凈化的流體，在進(jìn)入換熱器前進(jìn)行凈化(如水處理)；對(duì)于易結(jié)垢的流體，應(yīng)采用容易檢查、拆卸和清洗的結(jié)構(gòu)；定期進(jìn)行污垢的清除等。,三、管子的泄漏 管子發(fā)生泄漏的主要原因：介質(zhì)的沖刷引起的磨損，導(dǎo)致管壁破裂；介質(zhì)或積垢腐蝕穿孔；管子振動(dòng)引起管子與管板連接處泄漏。 管子有泄漏現(xiàn)象時(shí)，采取的措施視泄漏管數(shù)的多少而定。 如管束中僅有一根或數(shù)根管子泄漏，可采用堵塞的方法進(jìn)行修理。即用做成錐形的金屬材料塞在管子兩端打緊焊牢，將損壞的管子堵死不用。金屬材料的硬度應(yīng)低于管子材料的硬度。金屬錐塞的錐度一般為3一5度之間。采用堵管的方法解決管子泄漏現(xiàn)象簡(jiǎn)單易行，但堵管總數(shù)不得超過10，否則將對(duì)傳熱效果產(chǎn)生較大影響。 發(fā)生泄漏的管子較多時(shí)，應(yīng)采用更換管子的方法進(jìn)行修理。更換管子時(shí)，首先采用鉆孔、鉸孔或鏨削的方法拆除已損壞的管子，拆除管子時(shí)，應(yīng)注意不要損壞管板的孔口，以便更新管子時(shí)，使管子與管板有較嚴(yán)密的連接。然后采用脹接或焊接的方法將新管連接在管板上。,管殼式換熱器介紹結(jié)束 請(qǐng)繼續(xù)了解其它形式換熱器。,（1）按傳熱方式：直接接觸式、蓄熱式、間壁式 （2）、按其工藝用途： （3）、按材料分類：分為金屬材料和非金屬材料換熱器。,換熱器的分類,直接接觸式,直接接觸式換熱器,混合式換熱器:通過冷熱流體直接混合進(jìn)行熱量交換的設(shè)備稱為混合式換熱器，或直接式換熱器，如冷卻塔、氣壓冷凝器、在傳質(zhì)的同時(shí)進(jìn)行傳熱的塔設(shè)備等。,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳熱效果好，但不能用于發(fā)生反應(yīng)或有影響的流體之間局限：只適用于允許兩流體混合的場(chǎng)合。,實(shí)例：冷卻塔、氣壓冷凝器,溫度較高的場(chǎng)合，但有交叉污染，溫度波動(dòng)大,蓄熱式,蓄熱式換熱器,蓄熱式換熱器利用冷熱兩種流體交替通過換熱器內(nèi)的同一通道而進(jìn)行熱量傳遞。,局限：不能用于兩流體不允許混合的場(chǎng)合。,間壁式,又稱表面式換熱器 利用間壁進(jìn)行熱交換。冷熱兩種流體隔開，互不接觸，熱量由熱流體通過間壁傳遞給冷流體。,管式換熱器,板式換熱器,